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大脑种入“记忆芯”治愈老年痴呆症(组图)

①在实验中,电极通过受损大脑的组织传递电流脉冲。

②神经工程学专家特德·伯杰在实验室做实验。

③人类大脑的解剖图。

南加州大学的科学家用老鼠大脑切片来做恢复记忆的实验。

  在过去的10年间,美国科学家特德·伯杰一直致力于研究一种可以再造“思想”的大脑植入芯片。这种芯片能够治愈从老年痴呆症到心不在焉等各种脑部异常,并且减轻随着年龄而老化和失去记忆的严重程度。在将来,就像计算机出现的小故障一样,失忆问题也能轻松解决。

  本报综合报道在美国南加州大学洛杉矶分校的一个顶级实验室里,研究者维杰·斯瑞尼瓦桑正在用一根细长的针刺着只有手指甲一半大小的老鼠大脑切片。
斯瑞尼瓦桑所做的试验是神经系统工程学方面的。一根细细的电线连接着长针和一块硅片,硅片又连着一个方形的信号转换器。

  硅片会通过长针朝大脑切片传递电流脉冲,接收了电流脉冲的大脑切片则会在屏幕上显示出脑电波。“不同的波浪变化反映了大脑切片发出的信号。”他介绍说,“这些信号的频率和图案模式几乎与硅片向大脑发出的脉冲信号是一样的。”更简单地说,这个大约只有1平方毫米大小的硅片正在使用电流信号跟活的大脑细胞“聊天”。

  模仿大脑细胞制造芯片

  这个实验室的负责人特德·伯杰希望借此研究使大脑科学发展到新的阶段。伯杰认为,这种芯片与大脑细胞交流的能力只是他迈出的第一步,他的最终目标是研制出可植入大脑的机器,这种机器“通晓”大脑的“语言”,能够帮助那些脑损伤的患者恢复记忆甚至是制造出新的记忆。如果伯杰的研究成功,那么治疗老年痴呆症会像给电脑硬件升级那么简单。病人不再需要服药,只需动一个外科手术,将一些人工制作的“大脑细胞”(即计算机芯片)植入大脑,问题就解决了。

  伯杰的研究领域原属冷门,最近几年却成为了热门学科。伯杰研制出了世界上首个记忆植入体的原型,它是模仿人类大脑海马体——形成记忆的关键部位制造的。这种电子芯片能够取代受损的神经细胞,其原理和人体假肢、促进听力的人造耳蜗是类似的。

  伯杰的研究小组只能复制1分钟左右的大脑活动情况,电子芯片大约只能模仿不到1.2万个神经细胞的活动,而一个人的大脑中共有1000亿个神经细胞。不过,相关领域的研究者纷纷表示,即便只能模仿如此少量的细胞活动,也是神经工程学领域的惊人成就。美国达特茅斯学院的大脑科学教授理查德·葛兰杰表示:“这是一种可以改变世界的科学类型,在我们的有生之年将可以实现记忆复制。”

  将改变患脑疾者的生活

  本报综合报道神经工程学这种边缘学科乍一听似乎离普通人的生活很远,但是伯杰的研究将在医学和治疗学方面发挥很大的作用。一个能够恢复记忆细胞的机器将改变数百万患有脑疾的美国人的生活,并且将病患家属从繁重的看护工作中解脱出来。

  1999年,伯杰家里发生的突发事件更促使他加紧了研究步伐,他的母亲中风了,并且因为大脑海马体受损而出现了一些奇怪的神经症状。“她无法讲话,但是却能够笑和唱歌。”伯杰的母亲最终死于2005年。对此,他说:“我的研究突然变得不仅仅是解决一个实验室里的顶级难题了,我不再认为大脑芯片只是解开神经学的谜题,我更多地思考如何改善那些中风、癫痫症和痴呆症患者的生活质量。”

  根据美国老年痴呆症协会和全美老年人研究中心的数据,美国大约有450万名老年痴呆症患者,这些病人每年的相关开销超过1000亿美元。随着全球人口趋于老龄化,这个数字还将会更加庞大。

  据估计,如果人类无法找到有效的治疗早老性痴呆症的方法,那么25年后全世界预计将有2200万人患上这种病。此外,美国大约有530万人是脑外伤的受害者,脑外伤会导致各种各样影响海马体功能的神经功能紊乱,包括失忆、癫痫和帕金森病。

  随着科学家对大脑基本结构的日益了解,他们研制出了不少能够替代受损的感观系统的植入体。例如人造耳蜗,能够让聋人听到声音,人造视网膜也已经处于临床试验阶段。目前,神经传感器技术方面最大的科学成就是由美国布朗大学的约翰·多诺霍开发的“大脑之门”技术。

  “大脑之门”芯片由96个电极组成,它被植入于患者脑部的运动皮层区,该区域是控制身体活动的中枢。它能获取神经细胞发出的信号,并依据大脑运动皮层区不同区域的兴奋状态大致辨别出这些信号的意思,将其传导到电脑控制系统中,从而帮助患者通过电脑来完成简单动作。一名四肢完全瘫痪的患者借助“大脑之门”,可以通过思维自如地移动电脑光标、打开电子邮件、调节电视音量甚至活动机械手臂。

  15年内

  可实现临床试验

  本报综合报道 伯杰表示,希望可以研制出一种双向芯片,像真正的大脑细胞那样既能生产信号也能接收信号。

  大脑芯片是双向的

  伯杰的研究和“大脑之门”有些相似之处,两者都是将大脑信号转换为能够被计算机所了解和破译的编码。但是伯杰的研究相对来说难度更大。在“大脑之门”技术方面,思想和机器的联系是单向的,使用者可以告诉电脑怎么做,但是电脑不能向使用者发出信息。伯杰的大脑芯片则是双向的。伯杰模拟大脑功能以及模仿大脑内部语言——例如情感和记忆的交流的难点在于大脑细胞是通过一系列电流密码交流。每个细胞之间通过电流脉冲“交谈”,信息内容决定于电流脉冲的持续时间和频率。通过大脑细胞的这些“交谈”,人们才能估量房间里物体之间的距离,并且顺利地绕过他们。

  过去4年来,伯杰小组的成员一直尝试改良能够将伯杰的方程式转化为电子脉冲。研究者还要尽量减少电子晶体管工作时产生的热量,以免烧坏周围健康的大脑细胞。电子芯片的样板,它比羽毛还轻,能够模仿100个神经细胞的工作,单独接收、分析来自大脑组织的信号,然后将之转为数码信号,再向旁边的另一个神经细胞发送这个信号。今年,伯杰小组将进行一个更为复杂的试验,观察电子芯片在一个药物导致失忆的老鼠脑部发挥的作用。伯杰表示,如果能够达到上文提到的大脑切片那样的反应效果,那么将是一个里程碑式的时刻。

  研究小组4年内的目标是将芯片植入猴子的大脑。伯杰预测说,对人类使用芯片取代受损的记忆细胞的临床试验在15年内就可实现。
(责任编辑:水涨船高)
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